Thermal Analysis of ModHVDC Generator using Thermally Conductive Electrically Insulating Materials for Improved Heat Transfer

Abstract

Etablering av utaskjærs vindturbin parker presenterer seg som en mulig løsning til å forsyne trengt fornybar energi og samtidig bidra til det grønne skiftet. Bruk av høyspent DC mellom utaskjærs og land installasjoner er en etablert metode ved kraftoverføring over store distanser. Dessverre produserer tradisjonelle vindturbiner AC kraft, noe som medfører bruk av fordyrende omformere for å muliggjøre kraftoverføringen.

En eksperimentell modulær generator er foreslått som en løsning for å håndtere dette problemet. Det segmenterte designet gjør det mulig å levere energi fra DC-leddet til maskinen og ut på tilkoblet DC-nett. Dette fjerner behovet for omforming fra AC til DC i produksjonsdelen og medfører en reduksjon i bruk av omformer utstyr, noe som reduserer både vekt og pris.

Bruk av høyspent i elektriske maskiner medfører bruk av isolasjon med gode dielektriske egenskaper. Slike materialer har gjerne også høy termisk isolasjons evne, noe som gir utfordringer med varme oppbygging. Dette kan putte restriksjoner på tillatt kraft-densitet til maskinen og gjør termisk kontroll mer utfordrende.

Mulig forbedring av radiell termiske flyten ut av maskinen er undersøkt ved bruk av analytisk og numerisk modell. Resultatet fra de forskjellige materialene mellom ramma og stator er sammenlignet for begge modellene. Materialene er tradisjonelt mica basert glas-limt keramisk isolator og tørr presset aluminium-nitride keramikk.

Fra resultatene ser man at bruk av AlN keramikk gir en bedre termisk konduktivitet. Det kan også observeres en økt temperatur i maskin ramma og redusert kjerne temperatur i viklingen, noe som kan indikere at videre undersøkelser har mulighet til å ytterligere forbedre den termiske flyten gjennom maskinen, som eksempelvis bruk av kjølefinner på maskin ramma. Av framtidig arbeid er det viktig a fastslå den faktiske dielektriske styrken til valgt materiale. Det er også behov for mer detaljert arbeid i å estimere kjøleeffekten av aksial luft flyt gjennom maskinen, samt mulig kjøleeffekt som kan utvinnes mellom segment gapene.

Offshore wind farms presents itself as a promising solutions to provide the much needed renewable energy while also contributing to the green shift. Using high voltage DC for power transmission between the offshore installation and onshore receiver stations is the most common method applied when considering long distances power transfer. However, traditional wind turbines generates AC power resulting in the need of expensive converters to enable the power transfer.

A novel generator design with a modular approach to the stator has been proposed. This ModHVDC generator enables to deliver energy directly from the DC-link of the machine to the DC transfer lines, removing the need for costly conversion steps from AC to DC.

As the name implies, high voltages are involved in the machine design. Generally such machines tend to suffer from challenges related to heat due to the required electrical insulation, in addition the need for high power density will further promote challenges related to thermal management.

To investigate the possible improvement to the radial thermal flow out of the machine an analytical and numerical model are made. In both models the results of different insulation between between the frame and joke is compared. The used materials is a traditional mica based glass bonded ceramic insulator and dry pressed aluminium-nitride ceramic.

From the results it can be seen that the AlN ceramic material provides thermal conductivity while also retaining the needed dielectric strength. A higher frame temperature was achieved, while lowering the core temperature of the winding. This seems to indicate that further improvement can be implemented to achieve even higher rate of thermal flow like applying heat fins on the frame.

The actual dielectric strength of the chosen insulating material must be validated through testing, and as such presents itself as a viable task for future work, in addition better models for analysing the heat transfer through the air and segment gap should be made.